گرافاين
 التركيب الكيميائي للگرافاين-1
| |
| المُعرِّفات | |
|---|---|
| رقم CAS | |
ما لم يُذكر غير ذلك، البيانات المعطاة للمواد في حالاتهم العيارية (عند 25 °س [77 °ف]، 100 kPa). | |
| مراجع الجدول | |
گرافاين (Graphyne) هو تآصل الكربون. يتكون هيكله من صفائح مستوية بسماكة ذرة واحدة من sp وsp2-bonded ذرات كربون مرتبة في شبكة بلورية. يمكن رؤيته على أنه شبكة من حلقات بنزين متصلة بواسطة روابط أسيتيلين. اعتمادًا على محتوى مجموعات الأسيتيلين، يمكن اعتبار الگرافاين تهجينًا مختلطًاspn، حيث 1 < n < 2،[1][2] وبالتالي يختلف عن تهجين الگرافين (يعتبر sp2 نقي) وألماس (sp3 نقي).
أظهرت حسابات المبادئ الأولى أن هياكل الگرافاين الدورية ونظائرها نيتريد البورون مستقرة. الحسابات استخدمت منحنيات تشتت الفونون ومنذ البدء درجات الحرارة المحدودة، ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية الميكانيكية الكم.[3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التاريخ
تم تخمين وجود الجرافين قبل عام 1960،[4] وجذب الانتباه بعد اكتشاف الفوليرين.
في عام 2022، استخدم الباحثون إبدال الألكاين، مع التحكم في الديناميكا الحرارية والحركية، لتجميع كميات كبيرة من الگرافين. التفاعل الكيميائي الكيميائي هو تفاعل عضوي يعدل روايط الألكين الكيميائية.[5]
التركيب
من خلال استخدام نماذج الكمبيوتر، تنبأ العلماء بخصائص عديدة للمادة على الأشكال الهندسية المفترضة للشبكة. يتم اشتقاق هياكلها المقترحة من إدخال روابط الأسيتيلين بدلاً من رابطة كربون-كربون أحادية في شبكة گرافين.[6] يُفترض أن الگرافين موجود في أشكال هندسية متعددة. يرجع هذا التنوع إلى الترتيبات المتعددة للكربون المهجن sp وsp2. تتضمن الأشكال الهندسية المقترحة هيكل شبكي سداسي و هيكل شبكي مستطيل.[7] من الهياكل النظرية، قد يكون للشبكة المستطيلة 6،6،12-گرافين أكبر إمكانات للتطبيقات المستقبلية.
الخصائص
تتنبأ النماذج بأن گرافاين لديه القدرة على مخاريط ديراك على ذرات الكربون المزدوجة والثلاثية.[بحاجة لمصدر] بسبب مخاريط ديراك ، يلتقي نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ بطريقة خطية عند نقطة واحدة في مستوى فيرمي. تتمثل ميزة هذا المخطط في أن الإلكترونات تتصرف كما لو أنها لا تملك كتلة، مما ينتج عنه طاقات تتناسب مع زخم الإلكترونات. كما هو الحال في الگرافين، فإن الگرافاين السداسي له خصائص كهربائية مستقلة عن الاتجاه. ومع ذلك، نظرًا لتماثل الشكل المستطيل المقترح 6،6،12-گرافاين، فإن الخواص الكهربائية ستتغير على طول اتجاهات مختلفة في مستوى المادة.[7] هذه الميزة الفريدة في تناسقه تسمح للگرافاين التشويب الذاتي مما يعني أنه يحتوي على مخاريطين مختلفين من ديراك موجدين فوق مستوى فيرمي وتحته.[7] يمكن ضبط تأثير المنشطات الذاتية لـ 6،6،12-گرافاين بشكل فعال من خلال تطبيق إجهاد خارجي داخل الطائرة.[8] أظهرت عينات الجرافين التي تم تصنيعها حتى الآن درجة انصهار تبلغ 250-300 درجة مئوية، وانخفاض التفاعل في تفاعلات التحلل مع الأكسجين والحرارة والضوء.[6]
التطبيقات المحتملة
تم افتراض أنه يفضل استخدام الگرافين لتطبيقات محددة بسبب مخاريط ديراك المعتمدة على الاتجاه.[9][10] يمكن أن يسمح الاعتماد الاتجاهي لـ 6،6،12-گرافاين بمقضب كهربائي على مقياس نانوي.[11] قد يؤدي ذلك إلى تطوير ترانزستورات أسرع وأجهزة إلكترونية نانوية.[7][12][13]
تطبيقات
منذ اكتشاف الگرافين قبل 18 عامًا - مما أدى إلى الحصول على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 - تم فحص المادة متعددة الاستخدامات لمئات التطبيقات. وتشمل هذه المواد المركبة القوية، والأقطاب الكهربائية للبطارية عالية السعة، والطلاءات الموصلة الشفافة للشاشات والخلايا الشمسية، والترانزستورات فائقة الصغر وفائقة السرعة، والإلكترونيات القابلة للطباعة.
بينما يجد الگرافين طريقه إلى المعدات الرياضية وإطارات السيارات بسبب قوته الميكانيكية، إلا أن تطبيقاته الإلكترونية المرموقة كانت أبطأ في الظهور. أحد الأسباب هو أن الگرافين السائب ليس من أشباه الموصلات. لجعلها شبه موصلة ، وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة للترانزستورات، يجب إنتاجها على شكل أشرطة نانوية ذات نسب أبعاد مناسبة.
هناك شكل آخر أحادي البعد من الكربون مرتبط بالگرافين تنبأ به العلماء لأول مرة في عام 1987، وهو أشباه الموصلات دون الحاجة إلى تقطيعه إلى أشكال وأحجام معينة. لكن هذه المادة، الگرافين، ثبت أنها تكاد تكون مستحيلة الصنع بأكثر من الكميات المجهرية.
الآن، أعلن باحثون في جامعة كولورادو في بولدر عن طريقة لإنتاج الگرافاين بكميات كبيرة. يقول وي ژانگ، أستاذ الكيمياء في جامعة كولورادو بولدر: "باستخدام طريقتنا، يمكننا صنع عينات من المسحوق السائب". "وجدنا أوراق متعددة الطبقات من الگرافاين مكونة من 20 إلى 30 طبقة. نحن واثقون تمامًا من قدرتنا على استخدام طرق تقشير مختلفة لتجميع طبقات قليلة أو حتى طبقة واحدة ".
الگرافيت، والماس، والفوليرين، والگرافين كلها متآصلات كربونية، وتنشأ خصائصها المتنوعة من مزيج وترتيب أنواع متعددة من الروابط بين ذرات الكربون. لذا، في حين أن الشبكة المكعبة ثلاثية الأبعاد لذرات الكربون في الماس تجعلها صلبة بشكل استثنائي، فإن طبقة الگرافين الفردية من ذرات الكربون في شبكة سداسية تجعلها شديدة التوصيل.
يشبه الگرافاين الگرافين من حيث أنه لوح بسمك الذرة من ذرات الكربون. ولكن بدلاً من الشبكة السداسية، يمكن أن تأخذ هياكل مختلفة من حلقات متباعدة متصلة عبر روابط ثلاثية بين ذرات الكربون.
يمكن للخصائص الفريدة للمواد الموصلة وأشباه الموصلات والضوئية أن تجعلها أكثر إثارة للتطبيقات الإلكترونية من الگرافين. من الناحية النظرية، يمكن أن تكون حركة الإلكترون الجوهرية في الجرافين أعلى بنسبة 50 في المائة من الگرافاين. في بعض الگرافاين، يمكن توصيل الإلكترونات في اتجاه واحد فقط. وللمادة خصائص أخرى مثيرة مثل حركة الأيونات، وهو أمر مهم لأقطاب البطارية.
قام ژانگ وينگيجي ژاو من جامعة قينگادو للعلوم والتكنولوجيا في الصين وزملاؤهما بصنع الگرافاين باستخدام طريقة تسمىع ملية قلب الألكاين. هذا هو تفاعل عضوي محفز بالمحفز حيث يمكن أن تنفتح الروابط الكيميائية بين ذرات الكربون في جزيئات الهيدروكربون وتتصلب للوصول إلى بنية أكثر استقرارًا.
العملية معقدة وبطيئة. ولكنه ينتج ما يكفي من الگرافاين للعلماء ليتمكنوا من دراسة خصائص المواد بعمق وتقييم استخداماتها للتطبيقات المحتملة. يقول ژانگ: "سوف يستغرق الأمر عامين على الأقل للحصول على بعض الفهم الأساسي للمادة". "بعد ذلك، سيكون في حالة جيدة للأشخاص لنقله إلى مستوى أعلى، والذي يستهدف تطبيقات محددة من أشباه الموصلات أو البطارية."
يخطط هو وزملاؤه للبحث في طرق إنتاج المواد بكميات أكبر بكثير. إن القدرة على استخدام التفاعلات الكيميائية القائمة على المحاليل ستكون أمرًا بالغ الأهمية لصنع الجرافين في المقاييس الصناعية ذات الصلة، كما يقول.
إنها مجرد بداية للگرافاين، وفي الوقت الحالي، مجرد القدرة على صنع هذه المادة طويلة الافتراض بكميات كافية هي خطوة أولى مثيرة. يقول ژانگ: "تم اكتشاف الفوليرينات في الثمانينيات، ثم الأنابيب النانوية في أوائل التسعينيات ، ثم الگرافين في عام 2004". "من اكتشاف تآصل الكربون الجديد إلى دراسته المكثفة إلى التطبيق الأول، أصبح الجدول الزمني أقصر. أتلقى بالفعل مكالمات من أصحاب رؤوس الأموال حول العالم. لكني أخبرهم أن الوقت مبكر قليلًا.”[14]
المصادر
- ^ Heimann, R.B.; Evsvukov, S.E.; Koga, Y. (1997). "Carbon allotropes: a suggested classification scheme based on valence orbital hybridization". Carbon. 35 (10–11): 1654–1658. doi:10.1016/S0008-6223(97)82794-7.
- ^ Enyashin, Andrey N.; Ivanovskii, Alexander L. (2011). "Graphene Allotropes". Physica Status Solidi B. 248 (8): 1879–1883. Bibcode:2011PSSBR.248.1879E. doi:10.1002/pssb.201046583.
- ^ Özçelik, V. Ongun; Ciraci, S. (January 10, 2013). "Size Dependence in the Stabilities and Electronic Properties of α-Graphyne and Its Boron Nitride Analogue". The Journal of Physical Chemistry C. 117 (5): 2175–2182. arXiv:1301.2593. doi:10.1021/jp3111869. S2CID 44136901.
- ^ Balaban, AT; Rentia, CC; Ciupitu, E. (1968). Rev. Roum. Chim. 13: 231
- ^ Leytham-Powell, Cay; Boulder, University of Colorado at. "Long-hypothesized 'next generation wonder material' created for first time". phys.org (in الإنجليزية). Retrieved 2022-05-23.
- ^ أ ب Kim, Bog G.; Choi, Hyoung Joon (2012). "Graphyne: Hexagonal network of carbon with versatile Dirac cones". Physical Review B. 86 (11): 115435. arXiv:1112.2932. Bibcode:2012PhRvB..86k5435K. doi:10.1103/PhysRevB.86.115435. S2CID 119288235.
- ^ أ ب ت ث Dumé, Belle (1 March 2012). "Could graphynes be better than graphene?". Physics World. Institute of Physics.
- ^ Wang, Gaoxue; Si, Mingsu; Kumar, Ashok; Pandey, Ravindra (May 26, 2014). "Strain engineering of Dirac cones in graphyne". Applied Physics Letters. 104 (21): 213107. Bibcode:2014ApPhL.104u3107W. doi:10.1063/1.4880635.
- ^ Malko, Daniel; Neiss, Christian; Viñes, Francesc; Görling, Andreas (24 February 2012). "Competition for Graphene: Graphynes with Direction-Dependent Dirac Cones" (PDF). Phys. Rev. Lett. 108 (8): 086804. Bibcode:2012PhRvL.108h6804M. doi:10.1103/PhysRevLett.108.086804. hdl:2445/65316. PMID 22463556.
- ^ Schirber, Michael (24 February 2012). "Focus: Graphyne May Be Better than Graphene". Physics. 5 (24): 24. Bibcode:2012PhyOJ...5...24S. doi:10.1103/Physics.5.24.
- ^ Bardhan, Debjyoti (2 March 2012). "Novel new material graphyne can be a serious competitor to graphene". techie-buzz.com.
- ^ Cartwright, J. (1 March 2012). "Graphyne could be better than graphene". news.sciencemag.org. Archived from the original on 2 October 2012.
- ^ "Graphyne Better Than Graphene?". Materials Today. 5 March 2012.
- ^ "Why Graphyne Isn't Graphene 2.0Made in bulk for the first time, this new carbon allotrope is the semiconductor graphene isn't". spectrum. 2022-06-23. Retrieved 2022-07-04.